唐其林

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，長(zhǎng)沙 410007）

在人工河湖、濕地及景觀水池水質(zhì)提升，自然河道、湖泊水體原位修復(fù)以及農(nóng)村集中污水氧化塘處理方面，污水處理廠氧化溝處理通過(guò)人工曝氣可使水體氣-水混合，增加水中氧的含量，曝氣噴水推動(dòng)水體流動(dòng)，促進(jìn)水體內(nèi)的交換，包括上層水與下層水豎向交換和水體內(nèi)回流的水平交換，增加水體氧的均勻度，最大程度地消除厭氧性生物生存發(fā)展的條件[1-2]。

1 曝氣對(duì)改善水質(zhì)的主要作用

1.1 增加水中溶解氧

曝氣裝置將氣體與水體相混合，增加了水中的溶解氧含量，為好氧微生物提供了充足的氧氣，創(chuàng)造了好氧微生物的活動(dòng)環(huán)境[3]。好氧微生物的活躍使得它們能夠更加高速、高效地分解水體中的有機(jī)物，降低水體的COD、BOD指標(biāo)，降低有機(jī)物被厭氧菌分解時(shí)產(chǎn)生的甲烷等有毒有害氣體量。有機(jī)物的含量降低和水中溶解氧含量的上升，有效抑制了水體中藻類(lèi)的過(guò)度繁殖，降低水體的水化現(xiàn)象，大幅度消除水體的黑臭現(xiàn)象。

1.2 幫助水體中大型物質(zhì)與碎屑相分離

曝氣過(guò)程中通過(guò)對(duì)水體的攪動(dòng)、對(duì)流，將有機(jī)物碎屑、無(wú)機(jī)懸浮物、動(dòng)植物殘骸等物質(zhì)用氣泡包裹起來(lái)，使它們?cè)跉馀萦绊懴赂∑饋?lái)，防止污染物沉淀，為后續(xù)的絮凝沉淀、脫除奠定基礎(chǔ)。這樣不僅可以提高水體治理質(zhì)量和效率，也可以有效提高水體的透明度，降低水體的色度。

1.3 減少水體內(nèi)底泥帶來(lái)的污染

黑臭水體中持續(xù)污染、治理效果不佳的重要原因在于有機(jī)物的沉淀形成了底泥，在水體底部厭氧環(huán)境下厭氧菌分解有機(jī)物持續(xù)形成氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，持續(xù)為藻類(lèi)生長(zhǎng)、有毒有害物質(zhì)形成、有機(jī)物堆積創(chuàng)造條件。因此，想要治理黑臭水體，必須進(jìn)行底泥治理，將有機(jī)污染物的底泥逐漸改造為無(wú)機(jī)化底質(zhì)，阻斷內(nèi)源污染。

2 常見(jiàn)的曝氣設(shè)備類(lèi)型

目前，污水處理、黑臭水體治理中，常見(jiàn)的人工曝氣設(shè)備類(lèi)型大體分為五種[3-4]。大體的設(shè)備分類(lèi)如圖1所示。

圖1 曝氣設(shè)備分類(lèi)

2.1 機(jī)械曝氣

機(jī)械曝氣設(shè)備多借助葉輪的力量進(jìn)行曝氣，在液面位置，葉輪打出氣泡來(lái)增加溶解氧，這樣的曝氣設(shè)備多用于污水處理廠。根據(jù)葉輪機(jī)安裝位置，它分為豎軸式、橫軸式。

2.2 鼓風(fēng)曝氣

鼓風(fēng)曝氣借助鼓風(fēng)機(jī)的力量，直接將氣體通過(guò)擴(kuò)散板或者擴(kuò)散管引入水中，氣泡在曝氣器出口處形成，氣泡的尺寸大小取決于曝氣器出口的口徑。鼓風(fēng)曝氣設(shè)備在污水治理領(lǐng)域中應(yīng)用范圍廣泛。

2.3 射流曝氣

采用水泵經(jīng)射流器供氧的射流曝氣，噪聲小，按照供氣方式分為供氣式射流機(jī)、負(fù)壓自吸式射流機(jī)。

2.4 推流曝氣機(jī)

推流曝氣機(jī)借助的是曝氣、攪拌、推流的力量，推流曝氣機(jī)的充氧方式屬于一機(jī)化，因此不需要配置鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備，主體設(shè)備為水下葉輪機(jī)與后置氣口，具有水循環(huán)功能，能有效地防止封閉性、非流動(dòng)性的水質(zhì)腐爛發(fā)臭。

2.5 其他曝氣設(shè)備

微納米曝氣機(jī)（氣浮機(jī)改良設(shè)備）由水泵、微納米氣泡水發(fā)生器、壓力表、曝氣頭和一些管件組成。該系統(tǒng)的核心技術(shù)是利用微納米氣泡分散技術(shù)將大量的空氣初步壓縮成大量的0.25 mm直徑的無(wú)壓微泡在水體中，然后在半真空的情況下，通過(guò)氣相和液相的高度分散，將釋放系統(tǒng)產(chǎn)生的0.25 mm直徑的無(wú)壓微泡形成一些直徑小于3 μm的微米級(jí)氣泡甚至形成納米級(jí)氣泡，這些高度分散后的氣泡被統(tǒng)稱(chēng)為微納米氣泡，釋放到需充氧水體中以達(dá)到對(duì)水體迅速充氧的效果。

3 曝氣機(jī)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 曝氣設(shè)備中理論氧傳遞原理及影響因素

物質(zhì)擴(kuò)散速率由Fick定律得出：

式中，Na為物質(zhì)擴(kuò)散速率；dC為物質(zhì)濃度；D為氣相或是液相中常用的擴(kuò)散系數(shù)，m2/h；dz為沿?cái)U(kuò)散方向的擴(kuò)散距離。

氧溶解度可以表示為：

式中，CS為氧溶解度；p為氧分壓；KS為溶解度常數(shù)。

根據(jù)氧傳遞雙膜理論可知，氧氣在液體中的溶解度很小，因此，液體中氧的平衡濃度實(shí)際上與氧的飽和溶解度相差不大。氧氣在氣相和液相中的擴(kuò)散速度并不一致，在氣相中的擴(kuò)散速度比在液相中的擴(kuò)散速度大得多，因此想要提升氧的傳質(zhì)速率，必須借助曝氣設(shè)備，通過(guò)控制液膜來(lái)提升氧的傳遞速度。所以，在曝氣工藝中，氧的傳質(zhì)公式為：

式中，KL為與曝氣設(shè)備相關(guān)的常數(shù)；A為氣液接觸面積。

從理論上來(lái)說(shuō)，提高氧傳遞速率的主要方式有兩種。一是提高曝氣設(shè)備常數(shù)，提高氣液接觸面積，即提高KL·A值。在相同的污水水體條件下，相同曝氣設(shè)備的常數(shù)KL值通常是固定的，選擇KL較高的曝氣設(shè)備是提高樣傳遞速率的重要方式；增加氣液接觸面積可以通過(guò)縮小氣泡體積等方式實(shí)現(xiàn)，借助微氣泡曝氣等設(shè)備可以有效提升氣液接觸面積，提高氧的傳遞速率。二是提高氧的溶解度，即（CS-C）值。要想提高氧的溶解度，可以采用高含氧空氣曝氣設(shè)備，或采用純氧進(jìn)行曝氣。

溫度、曝氣深度會(huì)影響兩方陣數(shù)值，需要具體分析。

3.2 曝氣設(shè)備的主要評(píng)價(jià)參數(shù)

評(píng)價(jià)曝氣設(shè)備，主要采用測(cè)定特性曲線，最大可能地模擬和體現(xiàn)實(shí)際使用過(guò)程中曝氣器的曝氣情況，有助于曝氣設(shè)備的實(shí)際使用和綜合因素的全面考慮。以下幾個(gè)指標(biāo)同樣是衡量曝氣設(shè)備的重點(diǎn)[3-5]。

充氧能力（RO）是指在單位時(shí)間內(nèi)曝氣設(shè)備向混合液中傳輸氧氣的量，單位是kgO2/h。氧的利用率（EA）通常以曝氣氣量、密度來(lái)表示，指總供氧量中曝氣系統(tǒng)所轉(zhuǎn)移的氧量的百分比，特性曲線中橫軸表示曝氣氣量，豎軸表示氧的密度。動(dòng)力效率（Ep）是指單位能量消耗帶來(lái)的曝氣量，應(yīng)用電能的情況下，指的是每消耗1 kW·h電所帶來(lái)的曝氣量，單位為kgO2/（kW·h）。

需要指出的是，在運(yùn)用曝氣復(fù)氧技術(shù)時(shí)，必須重視對(duì)水質(zhì)改善目標(biāo)的設(shè)定，重視對(duì)污水治理工程的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，從而合理選擇充氧設(shè)備。例如，可以分階段制定水質(zhì)改善目標(biāo)，據(jù)此確定曝氣所需充氧設(shè)備的能力與數(shù)量，而不必一次性配足充氧能力。逐步進(jìn)行設(shè)備升級(jí)，可以有效提高設(shè)備的利用效率，以免造成資金、物力和人力的浪費(fèi)。

在實(shí)際工程中，人們十分關(guān)注氣水比、布?xì)?。為方便施工布置，?duì)于黑臭水體治理中復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況，應(yīng)該引入服務(wù)面積的參數(shù)。

4 河道曝氣的需求

城市河道水環(huán)境污染比較嚴(yán)重，水體長(zhǎng)期處于缺氧狀態(tài)。城市地區(qū)地勢(shì)平坦，河道上下游落差較小，河流多為靜止或流動(dòng)性差的緩流水體，氧的傳遞和擴(kuò)散速率慢，水體中溶解氧量不足，河水自?xún)裟芰τ邢?，僅僅依靠大氣進(jìn)行復(fù)氧很難有效地提高水體中的溶解氧量，很難改善水質(zhì)。因此，必須依靠人工曝氣進(jìn)行復(fù)氧，幫助水體提高自?xún)裟芰Α?/p>

城市河道寬度多在幾米到十幾米，當(dāng)河寬超過(guò)20 m時(shí)，往往具備較好的水動(dòng)力條件，上下層水體可實(shí)現(xiàn)混合，水體復(fù)氧過(guò)程加快。在這種情況下，曝氣增氧效果開(kāi)始出現(xiàn)邊際遞減效應(yīng)；寬河道的曝氣設(shè)備安裝成本較高，故不建議河寬超過(guò)20 m的河道采用曝氣增氧方式凈化水質(zhì)。另外,《城市黑臭水體整治工作指南》指出，原則上可沿黑臭水體每200～600 m間距設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)。因此，本試驗(yàn)的曝氣機(jī)針對(duì)河寬15 m、河長(zhǎng)約300 m的水體為對(duì)象，開(kāi)展試驗(yàn)研究。

曝氣機(jī)應(yīng)用范圍主要是指曝氣機(jī)的適用環(huán)境，包括水體水質(zhì)狀況、水域類(lèi)型、水體深度（水深）、水體流速等水域環(huán)境條件。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，曝氣機(jī)的應(yīng)用范圍取決于曝氣方式、充氧能力、產(chǎn)生的氣泡尺寸、曝氣量、服務(wù)范圍以及曝氣機(jī)功率等因素。結(jié)合曝氣機(jī)性能參數(shù)和試驗(yàn)中曝氣機(jī)的效果，筆者進(jìn)行了試驗(yàn)機(jī)型的應(yīng)用范圍分析。試驗(yàn)中所使用的7種曝氣機(jī)可分為5類(lèi)，下面分別介紹這5類(lèi)曝氣機(jī)的曝氣工作原理，并結(jié)合工作原理分析各類(lèi)曝氣機(jī)的應(yīng)用范圍。

4.1 鼓風(fēng)-布?xì)馄貧鈾C(jī)

鼓風(fēng)-布?xì)馄貧鈾C(jī)由鼓風(fēng)機(jī)、曝氣器、管線組成，其中鼓風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)將空氣輸送到曝氣器；曝氣器通常被安裝在池底部，可以使空氣形成不同尺寸的氣泡，在需要的情況下可以將氣泡尺寸縮小至微米、納米級(jí)，提高氣液接觸面積；氣泡離開(kāi)曝氣口后會(huì)隨水循環(huán)進(jìn)行流動(dòng)，受壓力驅(qū)使向上運(yùn)動(dòng)，最后在壓力的影響下載液面處破裂，完成氣泡中氧氣向污水中的轉(zhuǎn)移。因此，曝氣器是決定鼓風(fēng)-布?xì)馄貧鈾C(jī)曝氣效果的主要因素。

搖臂式微孔曝氣器具有氧利用率高、曝氣量高、檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，通常被應(yīng)用在黑臭的水體處理中；固定式動(dòng)態(tài)曝氣器具有氧利用率稍低、曝氣效果好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但檢修困難比較困難，一般應(yīng)用在水質(zhì)較好的水體處理中。由于試驗(yàn)水體污染負(fù)荷一般，試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，本試驗(yàn)采用的曝氣器均屬于固定式動(dòng)態(tài)曝氣器。

4.2 微納米曝氣機(jī)

微納米曝氣機(jī)主要由微納米曝氣頭、發(fā)生裝置、管線組成，其中微納米曝氣頭負(fù)責(zé)在離心作用下形成負(fù)壓區(qū)，在空氣壓力的作用下使空氣更高效地進(jìn)入負(fù)壓區(qū)，使空氣形成直徑約為5～30 μm的微納米氣泡，微納米氣泡的直徑小，氣液接觸面積大。例如，100 nm微氣泡，可較0.1 cm的大氣泡表面積增大10 000倍，因此不受溫度、壓力等因素限制，氧氣溶解效率提升，曝氣量得到有效提升，微納米曝氣機(jī)的純氧曝氣充氧能力是空氣曝氣的4.7倍。

4.3 推流曝氣應(yīng)用范圍

推流曝氣機(jī)主要由混氣室、進(jìn)氣管、葉輪、噴嘴等部分組成，經(jīng)過(guò)混氣室的氣水混合液以特殊的角度排出，呈螺旋狀向水平方向+垂直方向流動(dòng)，在曝氣的同時(shí)進(jìn)行攪拌，提高氣液接觸面積，提高氧的利用率。因此，它多用于江河湖泊等開(kāi)放水體或污水處理廠好氧池，屬于一種高效節(jié)能的水處理設(shè)備。推流曝氣機(jī)的機(jī)體沉入水中運(yùn)行，進(jìn)氣管出水面處可加裝消音器，達(dá)到基本無(wú)噪音的運(yùn)行狀態(tài)。

推流曝氣機(jī)在曝氣攪拌時(shí)可防止水體中懸浮物的下沉，加強(qiáng)水體中好氧微生物與溶解氧的接觸，從而提高污水中有機(jī)物的氧化分解效率，有效提高水體的自?xún)裟芰?。推流曝氣機(jī)中葉輪負(fù)責(zé)產(chǎn)生壓力，在葉輪的影響下，噴嘴處可以產(chǎn)生強(qiáng)勁的水流與空氣混合體，達(dá)到良好的攪拌效果。

4.4 射流曝氣機(jī)

射流曝氣系統(tǒng)包含三部分：射流曝氣器、循環(huán)水泵、鼓風(fēng)機(jī)。循環(huán)泵泵送的液體經(jīng)由主管道、內(nèi)噴嘴到混合室，把氣體剪切成微小的氣泡，形成富氧的氣液混合體，氣液交織的湍流經(jīng)外噴嘴水平射出。氣液混合體同時(shí)具有水平和垂直方向的能量，在池內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的混合，并攜裹周?chē)囊后w往前流動(dòng)，在水平方向動(dòng)力和垂直方向氣體上浮動(dòng)力的雙重作用下，形成整體的混合和循環(huán)。

射流曝氣機(jī)主要用于好氧池供氧，廣泛地應(yīng)用于皮革、制漿造紙、化工、醫(yī)藥、石化及食品加工等領(lǐng)域的污水處理中，如各種活性污泥法、氧化溝、氧化塘、SBR以及市政污水處理和污泥好氧消化，并且可通過(guò)控制供風(fēng)量實(shí)現(xiàn)脫氮、硝化的作用。

另外，射流曝氣機(jī)可以應(yīng)用于均質(zhì)池、調(diào)節(jié)池、選擇池、快混池、膠羽池、中和池、化學(xué)氧化池、消毒池、污泥儲(chǔ)存槽、脫氮池、化學(xué)反應(yīng)池，也可用于氣提系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)等的攪拌。黑臭水體水質(zhì)提升階段也可使用。

4.5 葉輪式增氧曝氣機(jī)

葉輪式增氧機(jī)主要借助電動(dòng)機(jī)、葉輪來(lái)實(shí)現(xiàn)曝氣，工作過(guò)程中主要通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)攪動(dòng)水面、打碎出口形成的氣泡，增加氣液的接觸面積，提高氧氣在水中的溶解度，實(shí)現(xiàn)曝氣增氧的效果，為好氧微生物創(chuàng)造好氧分解環(huán)境。

首先是增氧作用，葉輪式增氧機(jī)相較于其他曝氣機(jī)的動(dòng)力大更大，曝氣效率更高，最大情況下每千瓦時(shí)可增氧1 800 g，在這樣的氧氣環(huán)境中，好氧菌的生長(zhǎng)繁殖效率更高，有助于水質(zhì)改善。其次是提水、攪拌作用，葉輪式增氧機(jī)在曝氣的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水體的攪拌，實(shí)現(xiàn)表層、底層的水相互交替，加深增氧深度，因此葉輪式曝氣機(jī)也適用于深度更深的水體。再次是反應(yīng)去除有害氣體的作用，葉輪式增氧機(jī)的曝氣效率更高，在高濃度氧氣環(huán)境下，水中的氨、硫化氫、甲烷等有害氣體能夠與氧氣混合進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，有助于降低有害氣體量，提高水體的清潔程度。

除以上作用外，經(jīng)過(guò)葉輪式增氧機(jī)曝氣后，黑臭水體的水質(zhì)得到有效提升，還可以為淡水養(yǎng)殖創(chuàng)造環(huán)境，重新打造水體的生物鏈，從而切實(shí)提高水體的自?xún)裟芰头€(wěn)定性，提升水體的品質(zhì)。在已經(jīng)進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖的水體中，也可以使用葉輪式增氧機(jī)提高養(yǎng)殖池水中的含氧量，減少魚(yú)蝦缺氧抬頭的頻率，提高魚(yú)蝦的產(chǎn)量和質(zhì)量，使養(yǎng)殖水體能夠進(jìn)行重復(fù)利用，減少養(yǎng)殖污水的排放量和排放頻率。

5 綜合比較分析

一般情況下，曝氣設(shè)備的服務(wù)面積在進(jìn)行定性分析時(shí)，沒(méi)有統(tǒng)一的定義，而且其受水體環(huán)流等可變因素的影響太大，無(wú)法建立可靠的數(shù)學(xué)模型。因此，國(guó)內(nèi)外曝氣機(jī)的曝氣參數(shù)中往往將服務(wù)面積舍去，更多的是關(guān)注氣水比和布?xì)狻Ｈ欢?，在污水處理廠所使用的微孔圓盤(pán)和管式曝氣器，其服務(wù)面積往往是可以估算的。例如，直徑為30 mm和65 mm的微孔圓盤(pán)曝氣器的服務(wù)面積常為0.25～0.85 m2，直徑為65 mm的微孔圓盤(pán)曝氣器的服務(wù)面積常為0.80～1.20 m2。對(duì)于河道和湖泊水體治理過(guò)程中采用的機(jī)械式和鼓風(fēng)式曝氣機(jī)，其服務(wù)面積的大小隨氣泡越小和氧氣的有效傳輸距離延長(zhǎng)而增大，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以設(shè)定一個(gè)范圍，便于工程前期設(shè)計(jì)。

從工程應(yīng)用角度出發(fā)，應(yīng)科學(xué)量化曝氣增氧在河道治理過(guò)程中的效用。評(píng)價(jià)曝氣設(shè)備參數(shù)性能的指標(biāo)主要是充氧能力、動(dòng)力效率、氧利用率和服務(wù)面積，以指導(dǎo)工程前期曝氣機(jī)的定量，滿(mǎn)足治理初期水體、底泥耗氧量的需求。對(duì)于鼓風(fēng)型曝氣設(shè)備性能，主要利用動(dòng)力效率和氧利用率兩項(xiàng)指標(biāo)評(píng)判，因?yàn)楣娘L(fēng)曝氣屬于水下曝氣，其曝氣量已知，可用單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量占總供氧量的百分比和氧的利用率來(lái)表示充氧性能；而對(duì)于機(jī)械型曝氣設(shè)備性能，主要利用動(dòng)力效率和氧的轉(zhuǎn)移效率來(lái)評(píng)判，因?yàn)闄C(jī)械型曝氣設(shè)備在水面處進(jìn)行曝氣，這些設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)的氧氣曝氣量無(wú)法進(jìn)行測(cè)量和求證，只能用曝氣設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)成功轉(zhuǎn)移的氧量來(lái)進(jìn)行計(jì)算，即氧轉(zhuǎn)移效率來(lái)表示充氧性能。動(dòng)力效率對(duì)于鼓風(fēng)型和機(jī)械型曝氣設(shè)備均是可求的，可同時(shí)用來(lái)表征兩者的充氧性能。然而，服務(wù)面積僅用來(lái)半定量化地表征曝氣設(shè)備在初期設(shè)計(jì)方案制定過(guò)程中的數(shù)量控制，初步滿(mǎn)足河道水體前期曝氣增氧的需求，而后期需要根據(jù)水體溶解氧和微生物、底泥消耗氧來(lái)實(shí)際控制曝氣機(jī)的數(shù)量[5-6]。

從氧利用率的角度看，微納米曝氣機(jī)的氧利用率比推流和射流曝氣機(jī)高出很多，并且服務(wù)面積大很多，主要是由于微納米曝氣機(jī)的溶氧能力較強(qiáng)，產(chǎn)生的氣泡直徑較小且在水體中的接觸面積、時(shí)間較長(zhǎng)[5-6]。

氧的轉(zhuǎn)移速率與氣泡的大小、液體的紊流程度以及氣泡與液體的接觸時(shí)間有關(guān)，氣泡粒徑的大小可通過(guò)選擇擴(kuò)散器來(lái)決定[5-6]。氣泡尺寸越小，則接觸面積越大，將有利于KL·A值的提高，有利于氧的轉(zhuǎn)移。但是，氣泡小不利于紊流，對(duì)氧的轉(zhuǎn)移也有不利的影響，紊流程度大，接觸充分，KL·A值增高，氧轉(zhuǎn)移速率也將有所提高，氣泡與液體接觸時(shí)間加長(zhǎng)有助于氧充分轉(zhuǎn)移，同時(shí)氣泡形成、上升、破裂和紊流都有助于氣泡液膜的更新和氧的轉(zhuǎn)移。

6 結(jié)論

氣相中氧分壓、液相中氧的濃度梯度、氣液之間的接觸面積和接觸時(shí)間、水溫、污水性質(zhì)、水流的紊流程度等因素都影響氧的轉(zhuǎn)移速率。不同的水處理工藝所選擇的曝氣設(shè)備應(yīng)不同，在評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)該選擇適合的設(shè)備進(jìn)行曝氣。在河道水體治理前期，可以借鑒曝氣設(shè)備的充氧能力、動(dòng)力效率、氧利用率和服務(wù)面積四個(gè)參數(shù)來(lái)合理選擇在既定水體面積條件下的曝氣設(shè)備數(shù)量和型號(hào)，滿(mǎn)足初期水體和底泥溶氧的要求。